2.1 선행연구 분석

외단열 복합시스템의 동결융해에 대한 부착성능을 연구한 국외 연구^{(Norvaisiené et al., 2013)}에서는 ETAG 004에 따른 동결융해 노출 조건(습윤-동결)보다 복합적인 조건을 적용하였다. 습윤 7시간, -10°C에서 7시간 동결, +40°C에서 10시간동안 가열 및 건조 단계를 1사이클로 하여, 반복적인 습윤-동결-고온건조 환경 후 건조 상태에서 시스템의 부착강도 변화를 측정하였다. 실험 결과, 32사이클 후에는 표면 마감층이 단열재와 명확히 분리되면서 부착성능 저하가 확인되었다. 그러나 해당 연구는 주로 시스템 전체의 수분 흡수량과 표면 마감층 손상에 중점을 두었고, 단열재 내부 손상 및 응집파괴에 따른 부착성능 변화에 대한 구체적인 평가는 이루어지지 않았다.

또 다른 연구^{(Griciutė et al., 2013)} 또한 유사한 복합 사이클 조건을 적용하여 외단열 복합시스템의 내구성 및 부착성능을 평가하였다. 이 논문에서는 기존 동결융해 노출 조건은 특정 국가의 기후 특성과 지리적 조건을 충분히 반영하지 못하므로, 모든 기후대에 동일하게 적용하기 어려우므로, 온대 습윤 기후에 적용할 수 있는 조건을 제시하였다. 습윤 7시간, -12°C 동결 7시간, +40°C 건조 28시간을 1사이클로 하여, 최대 16회를 진행하였다. 평가 대상은 수분 흡수 특성과 표면 마감층의 손상 국한되었으며, 특히 아크릴, 미네랄 등 표면 마감재 종류별 차이를 분석하였다.

국내 연구^{(Hong et al., 2023)}에서는 3가지 난연 타입 단열재(Extended Polystyrene Insulation (EPS), Phenolic Foam (PF), 그리고 Mineral Wool (MW))에 대하여 ETAG 004에 따른 동결융해 시험을 시행하였다. 8시간 동안 침수한 후 (-20 ± 2)°C의 온도에서 16시간동안 동결하였으며, 이를 1사이클로 하여 30회 반복하였다. 30사이클 종료 후 시험체의 표면 및 부착상태 확인 및 충격에 의한 변형을 확인하였다. 시험 결과 모든 시험조건에서 표면 상태의 변화와 물이 침투할 수 있는 균열이 없는 것을 확인하였다. 부착성능의 경우, EPS와 PF 단열재는 동결융해 후에도 부착강도가 기준치(0.08 MPa 이상)를 만족하였다. MW 단열재는 상대적으로 동결융해 후 부착강도가 EPS와 PF 단열재보다 낮았으나, 여전히 최소 기준은 충족했다. 다만 0사이클에 대한 부착성능이 측정되지 않아, 동결융해 과정에서의 부착강도 감소여부는 명확히 판단하기 어렵다.

이처럼 기존 선행연구들은 장시간의 침수와 동결조건을 반복적용하여 주로 표면 마감재의 수분 흡수에 따른 손상 메커니즘을 확인하는 데 집중되어 있다. 따라서 샌드위치형 복합단열판의 심재 내부 구조 손상과 이에 따른 부착성능 저하를 평가한 사례는 한계가 있다.

2.2 시험규격 분석

본 연구에서는 콘크리트 기판에 부착한 복합단열판의 동결융해 노출 후 부착성능 저하를 평가하기 위해, 관련 시험규격에 대한 국내외 표준을 비교 분석하였다. 비교 대상은 한국 산업 표준 KS M ISO 20394와 유럽 기술 지침 ETAG 004 5.1.3.2.2장이고, 주요 동결융해 조건과 평가항목은 Table 1에 정리하였다.

KS M ISO 20394은 국제표준 ISO 20394를 기반으로 한 국내 표준으로 동결융해 조건에서 단열재의 수분 흡수량 및 압축 성능 변화를 평가한다. 동결융해 노출 조건으로는 단시간의 냉동(-20±2°C, 1시간) 및 융해(+20±2°C, 1시간)를 총 300회 반복하는 급격한 온도 변화 방법을 제시한다.

반면에 ETAG 004는 외단열 시스템 표면의 바탕 코트 또는 최종 표면 마감 층의 수분 흡수로 인한 표면 손상 평가를 중점적으로 다룬다. 또한 수중 노출(23±2°C, 8시간) 후 긴 시간의 동결(-20±2°C, 총 16시간)을 30회 반복하는 상대적으로 완만한 열 변화 사이클을 적용한다. 동결융해 노출 후 표면 마감재와 단열재 간의 부착성능을 평가하도록 하고 있다.

Table 1과 같이 KS M ISO 20394의 급격하고 반복적인 동결융해 조건은 단열재 내구성 저하를 유도하도록 설계되어 있으며, 이는 국내의 기후환경과도 밀접한 관련이 있다. 한국은 봄⋅겨울 일교차가 크고, 외벽의 외단열 시스템은 국지적 한파와 해동이 반복되는 환경에 놓여 있다. 이러한 국내 환경에서는 장기간 수중 침수보다는 단기적인 수분 노출 후 급격한 온도 변화의 반복에 따른 외단열 시스템 손상이 더 우려된다.

아울러, 본 연구 대상인 콘크리트 기판에 부착한 준불연 복합단열판에 대한 선행연구^{(Ha and Choi, 2025)}에서 수행된 직접인발 부착성능 실험 결과에 따르면, 건조상태 조건에서 샌드위치형 복합단열판의 주요 파괴모드는 대부분 표면 마감재가 아닌 내부 심재의 응집파괴로 확인되었다. 따라서 장기적인 수분 흡수에 따른 표면 마감재 손상 중심의 ETAG 004 동결융해 시험방법은 본 연구의 주요 평가 지표를 충분히 반영하기 어렵다.

그러므로 본 연구에서는 동결융해 노출 조건으로 KS M ISO 20394 규격을 준수하며 400, 500사이클을 추가 진행하여 반복적이고 급격한 온도 변화에 따른 단열재 내부 손상 유도 가능성을 확보하고자 하였다. 이후 부착성능 평가는 ETAG 004 5.1.4.1장의 외단열 시스템의 부착강도에 대한 직접인발 시험방법을 준용하였다. 해당 시험방법에서는 금속판을 별도의 접착제를 사용하여 시편에 부착하고, 일정한 속도(10±1 mm/min)로 직접 인발실험을 수행하여 최대 파괴하중과 주요 파괴모드를 확인한다. 시험 결과인 파괴강도(N/mm², MPa)는 개별값과 평균값을 기록한다.

부착성능 판단 기준은 ETAG 004 6.1.4.1장에 따라 설정하였다. 건조상태 조건에서 부착강도는 최소 0.08 MPa을 만족해야 하며, 단열재 내부에서 응집파괴가 발생하더라도 최소 0.03 MPa 이상을 확보해야 한다. 본 연구에서는 이러한 기준을 바탕으로 반복되는 동결융해 노출 후 준불연 복합단열판의 부착성능 적합성을 판단하였다.

ETAG 004는 동결융해 시험방법(5.1.3.2.2)과 부착성능 시험⋅판정 기준(5.1.4.1, 6.1.4.1)을 명확히 구분하고 있으며, KS M ISO 20394는 동결융해 조건은 제시하지만 부착성능에 대한 평가 기준을 제공하지 않는다. 따라서 본 연구는 국내 기후 특성을 반영할 수 있는 KS 규격의 동결융해 조건을 적용하는 동시에, 부착강도 검증에는 국제적으로 널리 활용되는 ETAG 기준을 준용하였다. 이를 통해 한국의 외단열 시스템 환경 적합성과 국제적 부착성능 요구 충족 여부를 동시에 검토할 수 있도록 하였다.

3.1 실험체 구성

실험체는 Fig. 1과 같이 콘크리트 기판에 준불연 복합단열판(Quasi Non-combustible ETICS, QN-c-E ETICS)을 부착하여 구성된다. 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)은 외부 마감재로 탄산칼슘계(CaCO₃) 무기질 발포 판상 단열재인 록셀보드(RCB)를 사용하고 내부 심재로 준불연 발포 폴리스티렌(Expanded Polystyrene, EPS)을 적용한 샌드위치형 구조이다.

Fig. 1. Details of specimens

Fig. 1과 같은 실험체 구성은 동결융해에 따른 단열판 자체의 성능 저하뿐만 아니라, 단열재와 기판 사이의 접착부, 콘크리트 기판 자체의 열화까지 포함한 외단열 시스템의 부착성능 변화를 종합적으로 평가할 수 있다. 부착방식은 Fig. 2와 같이 거푸집에 단열재를 먼저 배치한 후 콘크리트를 타설하여 현장 타설 방식으로 진행하였다.

Fig. 2. Specimen preparation process with formwork

본 연구에서 사용된 샌드위치형 복합단열판의 외부마감재인 RCB는 무기질 탄산칼슘계 발포체로서 독립기포 구조를 가지며, 콘크리트 및 몰탈과의 접착성이 우수한 특성을 갖는다. 현장 타설 시 시멘트 페이스트가 RCB 표면의 미세공극에 침투하여 경화함으로써 물리적 부착이 형성된다. 또한 RCB는 저밀도 발포체로서 방수성과 내구성이 뛰어나 계면으로의 수분 침투가 억제되며, 이는 장기간 안정적인 부착 성능 유지에 기여할 수 있다.

동결융해 노출 방식은 KS M ISO 20394 규격을 기반으로 –20±2°C의 냉동 1시간과 +20±2°C의 융해 1시간을 1사이클로 하여, 총 0, 100, 200, 300, 400, 500 사이클 조건에서 수행하였다. 0사이클은 건조 상태 조건에서 진행한 선행연구^{(Ha and Choi, 2025)}의 5개 실험체 결과를 그대로 인용하였으며, 나머지 조건별 실험체 수는 100, 200, 300, 400 사이클에서 각 3개, 500사이클에서는 2개로 Table 2에 정리하였다.

0사이클은 선행연구 결과를 인용하였으나, 해당 연구에서는 기판 두께가 본 연구와 달라 절대 값의 직접 비교에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 0사이클 결과를 동결융해 반복에 따른 상대적 성능 변화 추세를 확인하기 위한 기준점으로 활용하였다.

나머지 조건별 실험체는 선행연구의 실험체와 동일한 재료로 제작하였다. 복합단열판의 두께는 220 mm(외부 마감재 각 10 mm, 내부 심재 200 mm)이다. 심재인 준불연 EPS의 열전도율은 0.030 W/m²⋅K이므로 심재 두께는 현행 패시브 하우스의 외벽 열관류율 목표치 (0.15 W/m²⋅K)을 만족하도록 설계되었다. 실험장비에 안정적으로 고정하고 부착면의 변형을 방지하기 위해 기판은 단열재보다 큰 250×250 mm로 제작하였다. 또한 장기적인 동결융해 현상에 따른 콘크리트 기판 자체의 열화를 방지하고, 단열재와 기판 간의 접착면 성능 변화를 안정적으로 평가하기 위해, 0 사이클을 제외한 모든 실험체는 기판 두께를 100 mm 제작하였다. 사용한 콘크리트의 28일 압축강도는 평균 31.6 MPa로 확인되었다. 모든 실험체는 실험실 환경에서 28일간 추가로 양생하였다.

3.2 실험방법

Fig. 3(a)의 동결융해 시험기에 Fig. 3(b)와 같이 제작한 실험체를 위치시키고, 설정된 사이클 조건에 따라 반복 노출을 수행하였다. 이후 각 실험체에 대하여 외관 관찰 및 직접인발 부착강도 실험을 실시하고 부착성능을 평가하였다.

직접인발 부착강도 실험은 ETAG 004의 5.1.4.1장에 따른 표준 절차를 준용하였다. 실험 장비는 최대 하중 50 kN의 UTM(Universal Testing Machine)이다. 복합단열판 상부에는 하중을 가력하기 위한 금속판을 에폭시 수지를 이용하여 단단히 고정하였다. 콘크리트 기판은 실험장비 하부에 고정하였다. Fig. 3(c)∼(d)와 같이 상부 금속판과 UTM을 연결하여 10±1 mm/min의 일정한 속도로 직접인발실험을 수행하였다.

가력부의 상부 플레이트는 실험체 상면 전체를 균일하게 눌러 하중이 전달되도록 실험체보다 소폭 크게 제작하였다. 그러나 실제로 하중이 전달되는 접촉면은 단열재 상부 단면과 동일하며, 이는 복합단열판의 단면적(200 × 200 mm = 40,000 mm²)과 같다. 따라서 부착강도는 최대 파괴하중(N)을 복합단열판의 단면적(40,000 mm²)으로 나누어 파괴강도(MPa)를 산정하였다.

주요 파괴모드는 실험 종료 후 육안 관찰을 통해 서로 다른 재료의 접착 면에서 분리가 발생하는 접착파괴와 단일재료 내부에서 파단되는 응집파괴로 구분하였다. 이를 바탕으로 반복적인 동결융해조건에서의 샌드위치형 복합단열판의 부착성능 저하 특성을 분석하였다.

Fig. 3. Test equipment and setup including the loading part

4.1 하중-변위 곡선 및 파괴강도

본 연구에서는 현장 타설 방식으로 콘크리트 기판에 부착한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)을 대상으로 동결융해 사이클 수 증가에 따른 부착성능 변화를 평가하기 위해 직접 인발실험을 진행하고, 각 사이클(0, 100, 200, 300, 400, 500) 조건별 하중-변위 곡선을 Fig. 4에 도시하고 개별 파괴강도 및 평균값을 Table 3에 정리하였다.

0사이클 조건은 5개 실험체, 100, 200, 300, 400사이클 조건은 3개 실험체, 500사이클 조건은 최종적으로 2개 실험체가 평가되었다. 500사이클 조건 실험체들의 파괴 양상과 파괴강도 값이 유사하게 나타나 평균값 산정 및 경향성 분석에는 무리가 없는 것으로 판단하였다.

모든 실험체의 하중-변위 곡선은 전반적으로 파괴 직전까지 선형 거동을 보인 후, 급격한 하중 감소가 발생하는 취성 양상을 보였다. Fig. 4(a)의 0사이클(건조상태) 실험체의 하중-변위 곡선은 모두 약 8 mm 변위 지점에서 하중이 급격하게 증가하였다. 특히 실험체 EETB_P4의 경우 최대 하중 5,585 N, 파괴강도 0.140 MPa로 가장 높은 파괴강도를 나타냈다.

0사이클과 달리, 100∼500사이클 동결융해 후 실험체에서는 Fig. 4(b)∼(f)와 같이 하중이 일정수준에서 유지되며 약 4∼10 mm까지 변위만 증가하는 구간이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 동결융해 과정에서 접착계면과 심재 내부에 미세균열이나 공극이 발생하였고, 인발하중이 본격적으로 전달되기 전 초기 단계에서 이러한 틈이 닫히면서 하중전달이 지연된 결과로 해석된다.

파괴강도 측면에서, 100 사이클 이후 모든 실험체들의 파괴 강도가 0사이클 실험체(EETB_P1∼5) 보다 감소하였다. 특히 400 사이클 실험체(EETF4B_P1∼3)는 최대 하중이 약 4,000 N 내외, 파괴강도는 0.100 MPa에 수렴하였다. 최종 500 사이클 실험체(EETF5B_P1∼2)는 각각 파괴강도 0.095 MPa, 0.100 MPa로 산정되었다.

그럼에도 불구하고, 최대 500사이클 조건에서도 실험체가 0.095 MPa 이상의 파괴강도를 유지하고 있어, 현장타설 방식으로 콘크리트 기판에 부착한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)은 반복적인 동결융해 환경에서도 일정수준 이상의 부착성능을 확보하는 것으로 평가된다. 관련하여 ETAG 004에서 제시한 최소 부착성능 기준 만족 여부는 4.3절에서 자세히 논의할 것이다.

Fig. 4. Individual load-displacement curve for the pull-off bond strength test after freeze-thaw cycles

4.2 파괴모드

직접인발실험 후 각 실험체의 파괴 위치와 유형을 육안으로 관찰하여 파괴 모드를 분석하였다. 실험 종료 후 실험체별 사진을 Fig. 5에 정리하였다. 파괴는 크게 1) 단열재 내부에서 발생한 응집파괴와 2) 재료 간 접착면에서 발생한 접착파괴로 구분하였으며, 결과를 Table 3에 정리하였다.

본 연구대상인 샌드위치형 복합단열판은 Fig. 1에 도시한 바와 같이 외부 마감재인 RCB와 내부 심재인 QN-c EPS core로 구성된다. Table 3에서 ‘QN-c EPS core, Cohesive rupture’는 단열재 심재(QN-c EPS) 내부에서 발생한 파괴를 의미하며, ‘RCB–QN-c EPS, Adhesive rupture’는 외부 마감재(RCB)와 심재(QN-c EPS) 사이의 접착계면에서 발생한 파괴를 의미한다. 이를 바탕으로 반복적인 동결융해조건에서 샌드위치형 복합단열판의 부착성능 저하 특성을 분석하였다.

0 사이클(건조상태)의 실험체(EETB_P1∼5) 모두에서 심재의 응집파괴가 발생하였다. 이는 접착면이 아닌 심재 자체가 상대적으로 취약하였으며, 기판과 단열판 사이의 접착부 성능은 구조적으로 충분히 확보되었음을 시사한다. 또한 모든 실험체에서 ETAG 004의 요구 부착성능 기준(0.08 MPa)을 초과하였기 때문에 성능 측면에서도 적합한 결과로 판단된다.

100 사이클 조건 실험체 중 실험체 EETF1B_P1에서 하나의 예외적인 접착파괴가 관찰되었으며, 파괴강도는 0.074 MPa으로 측정되었다. 이 경우 파괴 위치는 외부 마감재(RCB)와 내부 심재(QN-c EPS) 사이의 접착계면이였으며, 이는 동일 조건 실험체(EETF1B_P2∼3)와 달리 접착성능이 저하된 특이 사례로 확인되었다. ETAG 004에서는 부착성능을 평가할 때, 1개의 시험체는 0.06 MPa에서 0.08 MPa 사이의 값을 가질 수 있다고 명시하고 있어, 기준은 만족하나, 해당 결과는 복합단열판 제작시 국부적인 접착 품질 편차 가능성을 시사한다.

반면 실험체 EETF1B_P1을 제외한 나머지 13개의 100, 200, 300, 400, 500 사이클 실험체에서는 모두 심재 내부에서 응집 파괴가 발생하였다. 이와 같은 경향은 반복되는 동결융해 조건에서도 현장타설 방식으로 부착된 콘크리트 기판과 복합단열판 사이의 접착계면의 성능이 안정적으로 유지되고 있음을 의미하며, 부착성능 저하의 주요 원인은 심재 내부의 물리적 열화에 기인함을 보여준다.

Fig. 5. Specimens after the pull-off bond strength test following freeze-thaw cycles

4.3 부착성능 분석

ETAG 004에서는 접착제와 기판 및 접착제와 단열재에 대한 부착성능을 개별적으로 평가할 것을 지침으로 명시하고 있다. 그러나 본 연구에서는 반복되는 동결융해 조건에 대하여 현장타설 부착방식으로 시공된 외단열 시스템 전체의 부착성능을 보다 실질적으로 평가하기 위해, 일체형 시스템으로 실험체를 제작하여 실험하였다.

Table 3의 파괴강도와 파괴모드를 검토하여 동결융해 사이클 수 증가에 따른 실험체의 평균 부착성능의 변화를 Fig. 6에 도시하였다. 해당 그림은 동결융해 사이클 누적에 따른 부착성능 저하 추세와 함께, ETAG 004에서 제시하는 최소 부착성능 기준 0.08 MPa을 기준선으로 병기하였다.

0 사이클(건조상태)에서 평균 부착강도는 0.130 MPa로 기준선 대비 약 62.5%이상 높은 수치이다. 이후 동결융해 사이클이 누적됨에 따라 평균 부착강도는 점차 감소하였다. 100 사이클에서는 평균 부착성능이 0.099 MPa, 200 사이클에서는 0.118 MPa, 300 사이클에서는 0.106 MPa, 400 사이클에서는 0.100 MPa, 500사이클에서는 0.098 MPa으로 기록하였다.

이러한 결과는 부착성능이 점진적으로 저하되는 경향을 보이되 500사이클 조건에서도 ETAG 004 기준인 0.08 MPa 대비 약 22.5%의 여유를 확보하고 있는 것으로 분석된다.

특히, 모든 실험체 중에서 100 사이클 조건의 실험체 EETF1B_P1만 유일하게 접착파괴가 발생하였고, 파괴강도는 0.074 MPa로 측정되었다. 파괴 위치는 외부마감재와 심재 사이에서 발생하였으며, 이는 복합단열판 제작 과정에서 접착 품질 편차 가능성을 시사한다. 해당 결과는 평균값 산정에 포함되어 100 사이클 조건에서 평균 부착성능은 건조 상태 대비 약 24% 크게 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 이후 200사이클에서 부착성능이 반등하였고, 300 사이클 이후 다시 완만히 저하되는 경향을 보인 점은 실험체 EETF1B_P1의 결과가 단순한 실험 오류가 아니라 개별 품질 이슈에 기인한 특이값일 가능성을 시사한다. 동시에 복합단열판 제작 시 품질 관리의 중요성을 부각시킨다.

Fig. 6. Bond strength after freeze-thaw cycles

따라서 반복되는 동결융해 환경에서도 현장타설 방식으로 콘크리트 기판에 부착된 준불연 복합 단열판은 장기 내구성 측면에서 ETAG 004의 최소 요구 부착 성능 기준을 충분히 만족하는 것으로 판단된다.